干货 | 动力电池包CAE分析案例

1为什么要做CAE分析

电池包安装在车辆上，需要满足汽车运营条件下的苛刻力学环境的要求。制作样品进行实验，得到结果以后再进行调整修改，再次打样。这种传统做法，周期长，成本高。另一个重要问题，即使出现了结构失效，由于影响因素比较多，并不能非常准确的得到结论。有可能出现，这次的试验失效在这里，加强以后再试，旁边的结构又出现新的问题。工程系统越来越复杂的今天，一两次单纯依靠经验的测试调整，已经无法真正解决产品问题。

CAE，Computer Aided Engineering，计算机辅助工程，利用计算机对工程中的多个过程进行仿真优化。人们借助计算机强大的运算能力，模拟现实应用的环境和受力状态，预测当前设计结构的内部应力状态，设计调整优化的周期急剧缩减。配合以这两年正在走向成熟的3D打印技术，一个理想的样机生产程序已经成型，初步结构设计——CAE仿真验证——设计优化——CAE再验证——3D模型样机。

CAE基本思路

将连续体离散化，把对连续体整体的分析转化成对离散化单元的应力、位移、压力和温度等的分析过程。单元分析的结果，经过后处理，将数据平滑化，重新结合到一起，反应一个有机整体的特性信息。

一个CAE软件，它的单元种类越多，材料类型越多，就越能够在更详尽的细节上模拟真实工程状态，得到更加准确的结构。

为了采用最接近真实设计的结构进行仿真，CAE软件与常见的CAD软件（CATIA、Pro/ENGINEER、UG等）有数模导入接口。

2 CAE分析的主要类型

汽车行业结构设计需要的CAE分析：模态分析，静态分析，疲劳分析。

常见的应用软件：ABAQUS、Solidworks Simulation 、ADINA、ALGOR 、ANSYS和MSC、MSC/ADAMS、HyperMeshs、Nastran。

什么是模态分析？

模态：固有频率、质量、刚度、阻尼、和模态振型作为参数，共同描述一个单自由度系统的动力学特性状态，叫做系统的模态。

固有频率：物体自由震动时的频率，与初始条件无关，只与系统的质量、形状、材质的刚度、杨氏模量有关。一个单一自由度的系统，只具有一个固有频率。

模态分析：现实中的系统，都是多个单一自由度系统耦合的结果，表现为一个系统具有多个不同阶次的固有频率，或者叫共振频率。模态分析，就是解耦这个多自由度系统成为多个相互独立的单自由度系统，并确认每个单自由度系统的模态参数。模态分析是一种参数识别技术。

模态分析通常比较关注接近载荷频率附近的模态频率，并且高阶模态能量占比比较低，因此，关注的阶次到7级就可以满足一般应用的要求。

什么是静态分析？

载荷与系统相对静止的内应力分析过程，构建在载荷的作用下充分变形，达到稳定状态。

什么是动态分析？

分析系统在载荷不同作用状态下的不同状态参数，关注的是系统的动力学特性。载荷是时间的函数。

什么是疲劳分析？

宽泛的疲劳，指结构在周期性应力的作用下，经历一段时间以后，没有明显伤痕的情况下，突然发生失效的现象。这里的应力可以是动态应力，也可以是热应力。

疲劳相关的几种分类

按激励类型的不同，振动疲劳分为拉压振动疲劳、扭转振动疲劳和弯曲振动疲劳。若激励频率与结构共振频率重合或接近使结构产生共振而导致疲劳称为共振疲劳；反之，称为非共振疲劳。按照激励频率与结构基频的比值大小，振动疲劳分为高频振动疲劳和低频振动疲劳。

疲劳分析有三个主流软件，Ncode，fatigue和fesafe。

3电池包的CAE分析案例（模态，静态，动态）

作者陶银鹏在他的文章《CAE技术在电动汽车电池包设计中的应用》中，讲述了动力电池包需要的CAE分析项目。

分析工作所用工具：有限元网格划分和后期处理HyperMeshs，静力学分析和模态分析Nastran，非线性分析Abaqus。

3.1 仿真流程

电池包整体CAE分析流程如下：

使用3D软件建模；

将数模导入HyperMeshs;

单元格划分，设置单元格材料属性和单元其他性能参数；

确定工况，包括工况具体参数和边界条件；

将边界条件设置在有限元模型上，包括载荷、约束和位移；

求解计算；

检查计算结果，是否在项目参数要求范围以内，比如应力极限等；

如果结果满足设计需求，则进行后处理，整理用于报告的材料图形；

如果数据不满足要求，则修改3d数模结构，从头开始进行前面的流程。

具体实施过程，进行了三类分析，模态分析、静态分析和动态分析。

3.2 模态分析

为了确定系统低阶振动频率，避免与工况中可能出现的频率重合，产生共振，对结构造成破坏。从HyperMeshs中导出网格划分结果，导入Msc Nastran 进行计算，最后用HyperMeshs查看结果。项目进行了3阶模态频率分析，两种结构类型电池包结果如下表。系统工作环境常见频率为33Hz，前一版设计，固有频率在环境频率附近，经改进，避开了这个频率。

3.3 静态分析

一般静力分析，是系统受到静力作用的情形，分析最大应力出现的位置以及最大应力值是否会超过允许的应力极限。案例是把颠簸同时紧急制动、和路面颠簸同时紧急转弯的冲击工况转化成静力分析。

对于机械冲击的要求，在电池包安全标准《GB/T 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分 安全性要求与测试方法》中，只对z向提出了要求，具体是25g冲击15s，3次，观察2小时。

案例中自行设定的仿真参数为，制动减速度设置为g=9.8m/s^2，急转弯时向心加速度取0.8g，z向动载荷系数取2.0。参数整体设置比较小。仿真过程中，网格在HyperMeshs中完成划分，求解器使用Mac. Nastra。仿真结果如下：

颠簸路面同时紧急制动

颠簸路面同时急转弯

3.4 动态分析

动态分析按照定频分析和扫频分析两步进行，电池模组与电池包壳体的固定连接设置成接触约束，使用HyperMesh进行网格划分，并使用其中的求解器Abaqus进行约束加载和计算，最后再用HyperMesh查看结果。

定频分析，将工况33Hz设置成振动频率，加速度70m/s^2，根据这两个初级输入，计算定频振动的振幅。使用这个定频振动，计算上下，前后，左右三个方向的定频分析。表格中数据单位为Mpa。设计选用材料的屈服极限为170.1Mpa。

扫频分析，扫频范围17-200Hz，频率变化按照线性规律。扫频过程，就是寻找200Hz以下的系统共振频率。结果，方形电池包找到了2个共振频率：99.2Hz和177.2Hz都是在模态分析的3阶频率以上的高阶频率，两个结果并无矛盾。

参考文献

1 陶银鹏，CAE技术在电动汽车电池包设计中的应用;

2 谷理想，电动汽车电池包疲劳寿命预测关键技术研究;

3 苏阳，电动车电池包振动疲劳分析;

4 GB/T 31467.3-2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第3部分 安全性要求与测试方法.